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2003年2月 第5章 设备管理 关于设备管理 计算机系统的一个重要组成部分是I/O系统。 该系统包括 实现信息输入、输出和存储功能的I/O设备 相应的设备控制器，有的大中型机还有I/O通道或I/O处理机。 基本任务：完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及改善I/O设备的利用率。 主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及设备独立性等。 5.1 I/O系统 5.1.1 I/O设备 5.1.2 设备控制器 5.1.3 I/O通道 5.1.1 I/O设备的类型 I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下： 按传输速率分类： 低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘） 按信息交换的单位分类： 块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制 字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制 按设备的共享属性分类： 独占设备：打印机 共享设备：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的设备。磁盘。 虚拟设备：使一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”。 5.1.2 设备控制器 设备并不直接与CPU通信 计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。 控制器是CPU与I/O设备之间的接口，负责接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作。 5.1.3 I/O通道 定义：I/O通道是一种特殊专门负责I/O的处理机： 指令类型单一，只用于I/O操作； 通道没有内存，它与CPU共享内存。 根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型： 字节多路通道：一次一字节，连低速外设 数组选择通道 数组多路通道 5.2 I/O控制方式 程序I/O方式 中断驱动I/O方式 直接存储器访问DMA I/O通道控制方式 5.3 缓冲管理 引入缓冲区的主要原因： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 使用缓冲区的方式： 1）单缓冲、多缓冲 2）循环缓冲 3）缓冲池（Buffer Pool） 以输入数据为例，比较三个时间：数据输入缓冲区用时T、从缓冲送入到用户内存区用时M、CPU计算用时C。 单缓冲下，T、C可并行。所以输入用时： max（ T、C ）+M 5.4.1 设备分配中的数据结构 记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构： 设备控制表 控制器控制表 通道控制表 系统设备表 ①设备控制表（DCT） 系统为每一设备都配置一张 记录本设备的情况。 ②控制器控制表（COCT） 系统为每一控制器都配置一张 记录本控制器的情况。 ④系统设备表（SDT） 系统根据进程对设备的请求进行设备分配的过程： 5.4.2设备独立性 引入两个概念： 逻辑设备：用户应用程序中请求的设备 物理设备：系统实际执行时使用的设备 设备分配时需实现： 逻辑设备地址映射到物理设备地址 逻辑设备名到物理设备名的映射 逻辑设备表LUT（Logical Unit Table） LUT的设置问题 整个系统设置一张LUT（设备重名问题） 为每个用户设置一张LUT，记入各自PCB。 5.4.3 设备分配中的虚拟技术 —— SPOOLing技术 虚拟性是OS的四大特征之一。 如何将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，允许多个用户共享“同时使用” ？ 假脱机技术 多道程序技术引入后，可专门利用一道程序（SPOOLing程序）模拟脱机输入/ 输出工作的外围机，完成设备的I/O操作。 称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术 （Simultaneous Periphernal Operating On—Line，或称为假脱机操作） 多道是前提，还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。 SPOOLing系统的组成 ?SPOOLing系统的组成 输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。 输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。 输入进程和输出进程：模拟外围设备控制器。 输入进程：把低速输入设备上的数据 高速磁盘输入井； 输出进程：把数据从磁盘上 低速输出设备输出井。 5.5 磁盘存储器管理 磁盘性能简述 磁盘调度方法 磁盘高速缓存 提高速度的其他方法 1）磁盘性能简述 首先与格式有关 数据的组织和格式 盘片、面、磁道、扇区 为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。